一體化壓鑄技術之發展博弈

高玉剛　王曉迪　張壯　徐世文　常海平　萬雅春

摘要：近幾年一體化壓鑄技術得到了整個汽車行業上、中、下游的廣泛關注，并取得了突飛猛進的發展，同時也遇到極大挑戰、遭到了諸多質疑。從應用范圍、壓鑄材料、產品質量、投資回報和維修再生五個方面，詳細分析了一體化壓鑄技術所面臨的困難，并指出了相應的發展策略。

關鍵詞： 一體化壓鑄技術；博弈；發展策略

近年來，新能源汽車一直保持高速發展[1]，圍繞續駛里程、成本等問題，涌現出了先進動力電池、CTP/CTB/CTC、滑板底盤、一體化壓鑄等一系列先進技術與產品[2～5]。其中，一體化壓鑄技術因其超高度集成、極大簡化工序、顯著提高生產效率、指數級簡化生產管理、鋁合金材料易回收及可觀的低碳化空間等諸多顛覆性特征，受到了新能源汽車的追捧，并有望掀起汽車制造革命熱潮。

在空前關注和大力投資下，在過去幾年一體化壓鑄技術實現了繁榮發展，同時也受到了各界的質疑，甚至反對.。比如大型一體化壓鑄件集成度與主機廠內部分工問題，免熱處理材料與變形問題，一體化壓鑄技術是否輕量化、輕量化成本以及輕量化空間問題，一體化壓鑄件合格率能否達到現有成熟壓鑄產品，一體化壓鑄技術投入產出比及單件成本問題，采用一體化壓鑄件的整車的安全性和維修成本問題，全鋁車身是否是未來方向等等。因此，在一體化壓鑄技術如火如荼發展的同時，需要產業決策者和技術人員謹慎判斷、思考、辨別、驗證其技術風險和未來發展方向。

整車上的應用范圍

一體化壓鑄技術，可簡單理解為超大尺寸產品壓鑄成形技術，具有尺寸大、集成度高及一次成形等特點。但一體化壓鑄技術打破了非常成熟穩定的整車制造工藝（沖壓-焊裝-涂裝-總裝四大環節）和整車結構（動力總成、底盤、車身、電氣設備四大部分），特別是CTC（Cell to Chassis）、CTB（Cell to Body）、滑板底盤等技術的出現，對車身、底盤工藝路線以及兩者原有清晰界限造成了巨大的沖擊和顛覆。

目前，一體化壓鑄技術應用集中在下車體（包括后地板、前底板、前機艙）、電池包以及未來的上車體和側圍，一體化壓鑄技術持續深入的發展甚至會影響四門兩蓋和底盤的結構形式。CTC技術、CTB技術就是將電池包部分結構集成到下車體，而滑板底盤則是將電池包部分結構納入了底盤部分，一體化壓鑄技術采用一體壓鑄成形工藝，而摒棄了傳統的沖壓+焊裝路線。比如，一體化壓鑄后地板總成中，集成了原有的左右減震塔、左右后縱梁、兩個橫梁等部件，如圖1b所示；一體化壓鑄前機艙包含了原有的左右減震塔、左右前縱梁、車身連接端面和車前端連接端面等，如圖1c所示；一體化壓鑄電池包整合了原有的邊框、橫梁、底板、支架、吊耳，如圖2所示；漢特曼開發的一體化壓鑄后副車架整合了前后橫梁、前橫梁上下板、左右縱梁、安裝套筒、擺臂支架、梯形臂支架、穩定桿安裝板等多個部件，如圖3所示。

雖然一體化壓鑄技術擁有諸如高度集成化、整體剛度、短流程、高生產效率、便于管理、高回收率等眾多優點，但面對汽車產品日益突出的快速迭代特征，一體化壓鑄技術明顯缺乏相應的制造敏捷性和應用平臺化，高資本投入的超大噸位壓鑄產線需要單品海量的車型，才能降低設備模具的成本分攤。另外，由于一體化壓鑄技術在汽車制造體系中有“跨界”特點，無論是產品設計，還是生產管理，均需做出顛覆性的變革，這對主機廠，特別是傳統主機廠，將是巨大的挑戰。

新型壓鑄鋁合金材料

鋁合金汽車結構件機械性能一般要求抗拉強度240MPa，屈服強度120MPa，延伸率10%，同時兼具良好的流動性和鑄造性能，通過T6/T7熱處理、熔體凈化、成分優化等手段基本可以滿足要求[6]。然而，大部分一體化壓鑄件單向尺寸最大在1200mm，甚至1600mm以上，壁厚2-4mm，若依然采用熱處理來提高產品延伸率，則熱處理變形將會被進一步放大，最終合格率大幅下降。在此背景下，免熱處理合金成為各主機廠、壓鑄廠、原材料廠的關注重點和研發熱點。

國內外的眾多企業、科研院所，包括特斯拉、蔚來汽車、美國鋁業、德國萊茵費爾登、立中集團、上海帥翼馳、上海交通大學等，都在開發和推廣免熱處理鋁合金材料，各家材料均具備自己的性能特點，如表1所示。免熱處理鋁合金材料涉及了兩個系列多個牌號：Tesla Alloy、Castasil-37、Aural 5、Aural 6、C611、LDHM-02、JDA1x等Al-Si系列和Magsimal-59、Castaduct-42、C446F、A152、A153、JDA2x等Al-Mg系列。通過對化學成分的對比，無論是Al-Si系列還是Al-Mg系列，存在幾個共同點：一是Fe含量較低，大多要求0.2%以下；二是Mn含量基本在0.3-0.8%之間；三是Al-Si系列Mg含量較低，甚至不含Mg，而Al-Mg系列Si含量較低；對主合金元素、雜質元素、變質劑含量要求極為嚴格。

考慮到鑄造性能（流動性、充型能力、熱裂和縮松傾向）、熔煉成本和技術難度等因素，Al-Si合金是目前應用最為廣泛的壓鑄鋁合金，下面以其為例進行介紹。介紹免熱處理合金前，有必要了解一下目前應用最廣泛的車身結構件用壓鑄鋁合金，RHEINFELDEN的Silafont-36和歐標的AlSi10MnMg，兩者化學成分基本一致（見表2），較常規鋁合金，通過嚴控低Fe含量和T7熱處理來提高延伸率，并加入Mn元素以解決Fe含量降低所帶來的粘模問題，可通過調整優化Mg元素含量及熱處理工藝，以達到產品的不同強、韌需求，早在20世紀90年代就實現量產應用，比如奧迪A8的全鋁車身結構件。

在此基礎上，如表2所示，高強韌Al-Si系列合金做到免熱處理的思路主要分為兩種：

1）低硅少鎂嚴控鐵，以Tesla Alloy 1為例[7]，降低Si含量、控制Fe含量以提高延伸率；Si含量不低于6.5%以保證合金的流動性；適量添加Cu元素，并控制Cu/Mg比例，促進AlCuMgSi相析出，提高強度的同時不會明顯影響延伸率；添加Mn元素以解決粘模問題；V/Cr微合金化，改善富鐵相形貌，以提高合金對Fe的容忍度。

2）高硅無鎂微合金化，以LDHM-02為例[8]，9.1%～10的硅含量以保證較高強度和良好的流動性；較低的Fe含量和Mo/Zr微合金化，以提高延伸率；添加Mn元素以解決粘模問題；嚴格控制低Mg含量，以保證鑄件較高延伸率和熱穩定性。

一體化壓鑄技術引入免熱處理鋁合金，在滿足產品對強度和延伸率要求的同時，可省去熱處理工序，從而可以避開大尺寸薄壁鑄件的熱處理變形問題。然而，作為一個重要的強韌化手段，熱處理除了可以提高力學性能和耐腐蝕性能外，還能穩定尺寸，改善切削加工和焊接等性能，若被省去是否會帶來其他問題，是否對前后工序提出新的要求，這都值得去深入研究和綜合考量。

車身結構件一般采用AlSi10MnMg，并進行T7熱處理，即固溶+（過）人工時效。在此過程中：共晶硅逐步分解、球化，提高延伸率，改善其切削性能和焊接性能；壓鑄時非平衡凝固導致的微觀偏析得到緩解，微觀組織更均勻，Cu、Mg等元素回溶入基體再彌散析出；可消除壁厚不均、冷卻速度不一致產生的內應力，使壓鑄件尺寸和輪廓更穩定。實際生產中，可根據實際產品技術要求，調整保溫溫度/時間、淬火介質/速度、時效溫度/時間，具有很強的靈活性。然而，免去熱處理工序后，能夠影響壓鑄件組織和性能的因素只有化學成分、熔化和壓鑄工序，這就對化學成分的設計、熔化工藝和壓鑄工藝提出了更高的要求，其中某一項參數的微小波動都有可能直接影響產品的性能。此外，僅憑優化細化和變質工藝，很難達到熱處理后共晶硅的球化效果。

產品質量

鋁合金壓鑄件質量問題涉及表面缺陷（冷隔、拉傷、流痕、裂紋等）、內部缺陷（氣孔、縮孔、夾渣、機械性能等）、幾何缺陷（變形、尺寸等）三方面。隨著壓鑄單元及控制系統、壓鑄模具技術、壓鑄工藝、現場管理制度的不斷完善、成熟與發展，一體化壓鑄件所面臨最大的質量問題是變形超差。之前采用的方案有：優化壓鑄件結構、完善壓鑄工藝、切邊機反變形設計、矯形整形處理等措施，然而隨著一體化壓鑄件尺寸的變大，變形量也被逐步放大，若依舊采取既有的方案，效果甚微，繼而影響成品率。免熱處理鋁合金應運而生，并成為汽車行業一體化壓鑄技術落地的關鍵。據報道，使用免熱處理鋁合金制備一體化壓鑄件，在保證高強度、高延伸率的同時，無需熱處理工藝，可避免熱處理過程中的變形，提高產品合格率，減少設備投資，降低碳排放。

但是必須要注意的是，熱處理只是引起壓鑄件變形的眾多因素之一，壓鑄件變形原因主要分為外部因素和內部因素。外部因素包括開模時間、頂出工藝、局部粘模、拔模角、包緊力設計等，外部因素引起的變形可通過壓鑄工藝、模具設計和產品結構優化來解決。從內部因素考慮，壓鑄件變形的本質是因為壓鑄件的內應力分布不均勻，使壓鑄件在某一溫度下承受的應力大于該溫度下的屈服極限，從而產生變形，同時變形結束后形成殘余應力。而內應力分布不均主要是由溫度和結構因素造成的，內應力是在壓鑄凝固過程和淬火過程中形成，在開模頂出取件階段、固溶過程、時效過程釋放，內應力形成和釋放均可引起變形。

壓鑄件冷卻凝固時，各部分冷卻速度不一致，在同一時刻引起的收縮量不同，但各部分又彼此相連、相互制約，因而產生了內應力，足夠大時會產生變形。熱處理加熱過程中，壓鑄件各部分溫度上升不均勻一方面會產生熱應力，又稱臨時熱應力，另一方面會消除凝固時產生的既有內應力，若壓鑄件強度因溫度上升而降低的速度大于應力消失的速度，也會產生變形。熱處理淬火過程中，壓鑄件薄壁部位/表面冷卻速率較厚大部位/心部大，且前者溫度低、屈服強度高，繼而形成瞬時熱應力，前者為拉應力，后者為壓應力，足夠大的應力會造成變形。無論是人工時效還是自然時效，均可消除壓鑄件的內應力，穩定組織和尺寸，同時也發生一定程度的塑性變形。整體而言，免熱處理鋁合金解決了熱處理過程大尺寸壓鑄件變形問題，但是對凝固收縮引起的開模頂出取件變形并無作用，還有可能帶來或加劇自然時效、機加工、后處理等工序中的變形問題。另外，離開熱處理對壓鑄件微觀組織的改善作用，自然強化鋁合金在強度和延伸率方面明顯不如析出強化鋁合金，且后者在高強高韌上更具發展前景。

因此，免熱處理鋁合金是一體化壓鑄技術未來發展的重點方向之一，但真正全方位解決一體化壓鑄件制造變形、尺寸超差問題，建議依據“第一性原理”，尋找真因，在源頭施加措施。當然，鋁合金壓鑄件的內應力、變形問題不可能完全消除，只能通過結構設計、CAE、壓鑄工藝優化、模具設計、工裝治具等多方面努力，不斷減低變形量。另外，從整車角度出發，隨著車身設計水平的發展，不斷提高對一體化壓鑄件變形量的容忍度。

產線投入與產出

據相關報道，由于采用了一體化壓鑄技術，Model Y后底板成本下降20-40%，這對嚴控成本的汽車行業來說極具誘惑。關于一體化壓鑄技術能否真正帶來20%-40%的降本，降本是基于何種情形和假設，降本空間是否具有通用性，本文不做深入分析和探討。本節重點關注一體化壓鑄產線的投資回報。眾所周知，車用鋁壓鑄行業具有資金密集和適合單品海量的特點，一體化壓鑄技術進一步提升準入門檻，而全自動化智能壓鑄單元更加凸顯了“批量生產”的特征。

大尺寸一體化壓鑄件，在產品質量上對機械性能、尺寸精度、表面狀態、一致性等有著更嚴格的要求，在生產制造上對原材料、設備能力、生產穩定性、自動化、智能化等有全方位的依賴。這就對一體化壓鑄產線設備的覆蓋范圍、重復精度、運行穩定性等提出更大的挑戰，進而大幅增加了產線的投入成本。

汽車結構件壓鑄生產線一般包括熔化設備、壓鑄單元、熱處理設備（免熱處理合金除外）、機加工設備、矯形設備、壓鑄模具、其他工裝夾具等。對于一體化壓鑄生產線而言，熔化設備包括集中熔化爐和轉運包，集中熔化爐可以通用，轉運包需要增大容量。壓鑄單元包含壓鑄機及機邊爐、真空系統、模溫控制系統、噴涂系統、取件、完整性檢查、冷卻槽、切邊機、除塵罩、傳送帶、放置架等周邊設備，其中大部分設備均需要升級或增加數量。熱處理設備最大容納尺寸顯著變大，主要包括保溫爐、淬火槽、時效爐、框架（含固定裝置）、傳輸軌道等，其中框架為相應產品專用框架。根據機加工方案的不同，機加工設備前期投入差別較大，比如多工序三軸/四軸加工中心、單工序五軸龍門加工中心、機器人加工，當然對應的效率和適用加工特征也有所差別。一體化壓鑄件特點對壓鑄模具的設計與制造產生了巨大挑戰，比如澆排系統設計、模具熱平衡設計、模流分析、模具材料及表面處理、模具加工設備及環境、車間與行車能力。

下面將以產能年50萬的后地板生產線為例，對比傳統沖壓+焊接和一體化壓鑄成型的投資和成本，如表3所示。

（1）傳統沖壓+焊接技術（路線一）：大約需要大型壓力機1臺、小型壓力機15臺、大型模具1套、小型模具15套，設備的總成本約為1億元；焊接環節則需要焊接機器人2臺、焊接搬運機器人1臺、夾具1組，設備成本約為1.25億元；每件700～800個焊點，共耗費3.75億元；大約需要200～300名員工，人力成本約為0.5億元。

（2）一體化壓鑄成型技術（路線二）：單件節拍180s、每天生產20h、一年工作300天計算，則單各壓鑄單元產能在12萬件/年，壓鑄模具壽命8萬～10萬模次，總共需要四個壓鑄單元、六套壓鑄模具。其中，一體化壓鑄技術核心設備——壓鑄機，噸位一般不低于6000t，粗略估計4000萬元，周邊設備2000萬元，壓鑄模具價格在1500萬～2000萬，壽命8萬～10萬；每件焊點50個左右，共耗費0.25億元；大約需要20～30名員工，人力成本約為0.05億元。

（3）除上述成本之外，一體化壓鑄車間占地面積大幅縮小，但其對地基、行車等方面有著較高的要求，因此，在基建方面，兩種技術路線成本相當。另外，值得注意的是，路線一的沖壓模具壽命可達500萬～600萬模次，單件模具分攤較路線二（8萬～10萬模次）大幅降低。

基于以上投資成本分析，可從兩方面分析路線一和路線二的優劣勢：一是新建生產線，剛性成本方面路線二明顯較少，且由于大大簡化了工序，路線二在供應商管理、內部生產管理、質量管控等多方面柔性成本大幅降低，同時考慮材料、設備、工藝、結構設計等方面的壁壘和，目前路線二的風險成本處于高位；二是現有生產線，路線一在剛性成本和風險成本方面較低，而在柔性成本方面依舊處于高位。上述分析也恰恰印證了目前一體化壓鑄在新能源汽車，特別是造車新勢力范圍開發和應用的滲透率較高，而傳統主機廠則持有更謹慎的態度。

此外，由于壓鑄工藝的“批量生產”特征，一體化壓鑄技術需要年銷量10萬輛的車型來支撐，否則高昂的設備成本分攤會使單件或整車成本高居不下，甚至嚴重侵蝕上下游利潤空間。目前，國內外有十余家主機廠在開發一體化壓鑄技術，十余家壓鑄廠商布局幾十個大噸位壓鑄單元，接下來5～10年一體化壓鑄市場必將迎來慘烈的競爭。

維修與回收

1.維修成本

一體化壓鑄技術在市場端最大的話題。恰恰因為一次鑄造成型，一體化壓鑄件損壞后無法采用鈑金修復方法，只能整體更換，這必將帶來保費增長，進而轉嫁到消費者，當然這只是普通視角所作的判斷。事實上，一體化壓鑄產品，不管是后底板、中底板，還是前機艙，都位于整車中較為“隱蔽”的位置，普通刮蹭或碰撞難以傷及到此。因此，在產品設計時，在考慮結構性能和制造成本與難度的同時，也要兼顧“可修復性”。例如，后底板、前機艙的一體化壓鑄設計時，結合前后防撞梁，優化碰撞力的傳遞路徑，分段分解吸收碰撞能量，最大程度降低一體化壓鑄件的受損風險。另外，在新能源汽車賽道上，除了一體化壓鑄技術，自動駕駛技術也取得了不錯成績并得到大量應用，這將會大大提高汽車的主動安全性能。

2.回收再生

極高的回收率是一體化壓鑄產品的最大優勢之一。成本是汽車行業的核心要素，而碳排放將會以碳積分的形式轉換為成本，而成本的最客觀、最合理的評價方式是全生命周期評價（Life Cycle Assessment， LCA），即對產品的整個生命周期——從原材料獲取到設計、制造、使用、循環利用和最終處理等，定量計算、評價產品消耗的資源和能源以及排出的環境負荷，也就是從搖籃到墳墓的全過程[9]，其中提高整車報廢回收率無疑可大大降低整車全生命周期成本和碳排放量。一體化壓鑄技術件特點：單一牌號、回收率極高的材料、集成上百個零件一次壓鑄成型，其材料回收率可達95%以上，且回收過程流程極短。而鋼板沖焊產品特征：多個牌號、回收性能較差的材料、多次沖壓/焊接，材料回收率不足60%。因此，一體化壓鑄件的全生命周期成本和碳排放具有很強的競爭優勢。

結語

一體化壓鑄件，集成化特征減少了零部件數量和連接工序，低成本、短流程、短開發周期滿足了市場多樣化、車型快速迭代的需求，因此，一體化壓鑄技術必然是汽車車身未來發展的重要方向之一。但是，在一體化壓鑄技術快速發展過程中，企業決策者和技術人員要重視以下幾點：

1）混合材料車身依舊是最佳方案，一體化壓鑄產品不能一味地集成化，要根據產品的輕量化、成本、效率、安全的需求，尋找平衡點。

2）免熱處理壓鑄鋁合金確實可以解決產品變形超差問題，但不能忽視無熱處理的弊端，高強、高韌、環保、易回收才是理想的壓鑄鋁合金。

3）解決大尺寸壓鑄件變形問題，要從本質和源頭出發，多方面綜合突破，以提高良品率。

4）產線投入高低不能一概而論，應以敏捷制造方式，最大程度實現批量生產，才能降低生產成本。

5）一體化壓鑄件生產、使用成本，必須基于全生命周期評價。

參考文獻

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